朱云海

摘 要：水利工程的建設(shè)對國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展安全具有重要戰(zhàn)略意義。而在水利工程中，水庫水情及大壩的自動化檢測監(jiān)控技術(shù)對保障水庫大壩的整體性安全具有重要的地位。本文針對我國中小型水庫的實際情況，結(jié)合傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)及人工智能技術(shù)構(gòu)建了現(xiàn)代化計算機(jī)智能監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有水情動態(tài)采集、壩情實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)挖掘、智能管理等功能。

關(guān)鍵詞：水情;大壩監(jiān)測;水位控制;數(shù)據(jù)挖掘;人工智能。

1.引言

我國地勢情況復(fù)雜，氣候條件多變，臺風(fēng)、干旱及洪澇等自然災(zāi)害一直是威脅人民生命財產(chǎn)安全的重要隱患。隨著我國綜合實力的不斷增強(qiáng)，為了促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建設(shè)了很多國際先進(jìn)的水庫大壩，但同時依然有很多在20世紀(jì)90年代及以前建成的中小型水庫，受限于當(dāng)時的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件，在壩體監(jiān)測、水庫管理、配套設(shè)施等多方面都存在不足。 2011年，“十二五”水利規(guī)劃將水安全提升到了國家戰(zhàn)略，全面推進(jìn)了水利基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，并不斷升華著治水理念。水情監(jiān)測作為預(yù)防洪澇、干旱發(fā)生的重要手段，其檢測的精準(zhǔn)性與時效性便顯得尤為重要。開發(fā)水情自動化監(jiān)測系統(tǒng)具有周期短、投資少、效益高等優(yōu)勢，受到很多國家的青睞[1]。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)通過傳感器技術(shù)對水庫水位及水庫壩體狀況進(jìn)行實時監(jiān)測、通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對當(dāng)?shù)貧v史水文數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，并結(jié)合實時水文數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，及時預(yù)測風(fēng)險等級。通過自動化、人工智能技術(shù)對水庫進(jìn)行自動化控制管理;通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及時對相關(guān)人員推送警示系統(tǒng)，添加視頻監(jiān)視系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)與抗洪指揮部聯(lián)網(wǎng)，并注重防雷電改造措施。具體設(shè)計框架如圖1所示。

3.系統(tǒng)設(shè)計

3.1水位、壩體等監(jiān)測采集

此模塊中的數(shù)據(jù)采集功能主要有傳感器系統(tǒng)、運(yùn)放器、A/D轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)采集功能主要由水位傳感器、溫濕度傳感器、雨量傳感器、電磁流量計算器、滲流量儀、振弦式傳感器等進(jìn)行實時信號采集。運(yùn)放器主要是將mV級的微弱電信號轉(zhuǎn)換為4mA—20mA的標(biāo)準(zhǔn)輸出。A/D轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)主要將傳感器采集的各類模擬數(shù)據(jù)輸入經(jīng)過內(nèi)部機(jī)制轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號，并通過網(wǎng)絡(luò)傳送到人工智能自動化控制中心。

3.2數(shù)據(jù)挖掘

數(shù)據(jù)挖掘是人工智能和數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域研究的熱點問題，是一種深層次的數(shù)據(jù)分析方法，數(shù)據(jù)挖掘主要是通過對數(shù)據(jù)庫的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，揭示出隱含的、未知的潛在價值的信息，或者通過歷史數(shù)據(jù)的比對預(yù)測出可能發(fā)生的一些信息，數(shù)據(jù)挖掘是一種決策支持的過程。通過對水庫歷史數(shù)據(jù)老舊數(shù)據(jù)的整理、清洗，轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，定義數(shù)據(jù)挖掘方向，建立數(shù)據(jù)挖掘分析庫，并結(jié)合水庫具體情況建立模型，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、決策樹法、關(guān)聯(lián)規(guī)則法等經(jīng)典算法進(jìn)行分析處理。根據(jù)當(dāng)時水文情況及時作出預(yù)判和發(fā)現(xiàn)未知的價值規(guī)律，并及時傳送至人工智能自動化控制中心。

3.3閘門控制系統(tǒng)

閘門控制系統(tǒng)主要由閘門動力控制中心、閘門位置數(shù)據(jù)采集裝置、閘門水位采集裝置、閘門手動控制裝置以及閘門控制中心組成。閘門動力控制中心主要對閘門的開閉進(jìn)行動力控制，閘門位置數(shù)據(jù)采集裝置主要負(fù)責(zé)采集閘門實時位置信息并傳到閘門控制中心實時顯示，閘門水位采集裝置主要對閘門內(nèi)外水位進(jìn)行實時監(jiān)測，閘門手動裝置作為備用設(shè)備，在自動化控制設(shè)備出現(xiàn)故障或其他情況下使用，通過人工操作閘門，閘門控制中心主要是實時收集各項采集數(shù)據(jù)根據(jù)預(yù)定程序控制閘門，并實時將處理數(shù)據(jù)發(fā)送至人工智能自動化控制中心進(jìn)行監(jiān)控。

3.4預(yù)警信息發(fā)送

水庫都會定期或不定期都會進(jìn)行開閘泄洪工作，以確保水庫在一個合理的水位。在開閘泄洪之前及時有效警示水庫周邊及受影響的下游人民群眾的工作尤為重要。本模塊主要分為庫區(qū)聲光警示系統(tǒng)、庫區(qū)下游地區(qū)目標(biāo)單位消息傳送和指定區(qū)域移動終端消息推送三個方面。庫區(qū)聲光警示系統(tǒng)重要是通過分布在各處的聲光報警器以及高分貝擴(kuò)音器進(jìn)行預(yù)報提醒。庫區(qū)下游地區(qū)目標(biāo)單位消息傳送及時將預(yù)警信息發(fā)送各目標(biāo)單位信息接收終端，及時提醒。指定區(qū)域移動終端消息推送主要是通過水庫附近基站根據(jù)要求自動將預(yù)警信息根據(jù)要求發(fā)送至指定區(qū)域移動終端，進(jìn)行消息提醒。

3.5視頻監(jiān)視

視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要包括前端視頻攝像設(shè)備、存儲設(shè)備、視頻數(shù)據(jù)分析設(shè)備。前端攝像設(shè)備主要由高清攝像頭組成，對關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵位置實時監(jiān)視，比如水庫閘門、防雷電設(shè)施、大壩重要位置等關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行監(jiān)視。視頻數(shù)據(jù)可以存儲到存儲設(shè)備中，以防后續(xù)調(diào)用分析。視頻數(shù)據(jù)分析設(shè)備主要是實時比對視頻信息，發(fā)現(xiàn)差異及時存儲，并上報人工智能自動化控制中心，同時根據(jù)異常信息進(jìn)行簡單預(yù)處理生成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)供數(shù)據(jù)挖掘分析處理。

3.6設(shè)備狀態(tài)運(yùn)行狀態(tài)自動監(jiān)測

設(shè)備狀態(tài)運(yùn)行狀態(tài)自動監(jiān)測主要包括設(shè)備自檢、各設(shè)備運(yùn)行終端狀態(tài)詢問和異常數(shù)據(jù)智能分析等。設(shè)備自檢主要是指各設(shè)備在啟動時根據(jù)預(yù)設(shè)要求對各個參數(shù)進(jìn)行檢測，查看設(shè)備運(yùn)行環(huán)境是否正常，設(shè)備啟動是否正常。各設(shè)備運(yùn)行終端狀態(tài)詢問主要是通過心跳的方式定時對各設(shè)備運(yùn)行終端進(jìn)行詢問，參考是否有應(yīng)答或者應(yīng)答是否正確以及應(yīng)答的時間是否異常來判斷設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)。異常數(shù)據(jù)智能分析主要是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)以及水庫環(huán)境對當(dāng)前采集數(shù)據(jù)值進(jìn)行分析，判斷是否大于偏離的合理值，來確認(rèn)設(shè)備是否正常工作。

3.7人工智能自動化控制中心

人工智能自動化控制中心是本系統(tǒng)的核心，可以對水庫的各項事務(wù)進(jìn)行自動化控制。主要包括硬件平臺以及一套監(jiān)控軟件。通過監(jiān)控軟件的人機(jī)界面實時顯示各系統(tǒng)的傳送的數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，通過人機(jī)界面可以對水庫各種設(shè)備進(jìn)行全面管理、控制，各項參數(shù)通過控制中心可以實時傳送到防洪指揮中心。

3.8，系統(tǒng)防雷電措施

一般來說，水利設(shè)施大多地勢較高，極易受到雷電的襲擊，特別是汛期雷電比較多的時期，雷擊會對水利自動化系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成不利影響。因此，水利自動化系統(tǒng)需要進(jìn)行防雷避雷系統(tǒng)的設(shè)計，保障系統(tǒng)作用的發(fā)揮[2]。

為避免直接雷擊，一般可設(shè)置避雷針、避雷線，前者用于建筑物、野外的電器設(shè)備等保護(hù)，后者可用以輸電線路的保護(hù)。建筑物或電器設(shè)備使用避雷針幾乎可以不受雷電直擊，但是無法避免感應(yīng)雷擊。如何減少感應(yīng)過電壓對系統(tǒng)的破壞，是大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)防雷干擾的關(guān)鍵所在。

水庫地勢開闊，屬高雷電發(fā)生區(qū)。為系統(tǒng)避免雷擊事故發(fā)生，系統(tǒng)采取以下幾條防雷措施：

1）盡量縮短現(xiàn)場傳感器與計算機(jī)控制中心的連接線距離，所有連接線都通過地溝鋪設(shè)，這樣可基本避免感應(yīng)雷擊事故。

2）對監(jiān)測中心站外接天線、太陽能裝置均附加接地良好的避雷裝置，可有效避免直接雷擊事故的發(fā)生。

3）各監(jiān)測儀器電源接口、對外連接端口設(shè)計有防雷、防靜電隔離電路，增強(qiáng)設(shè)備抗雷擊性能。

4）室外傳輸電纜應(yīng)加繼電器保護(hù)。

在安裝避雷器時，由于避雷器起到分流雷擊電流（雷電）入地泄放作用，所以避雷器與地相連的線應(yīng)選用多股線，同時連接線越短越好，若連接線增長1m，其避雷器殘壓值將增加1000V，難以保護(hù)重要設(shè)備。因此，站房內(nèi)設(shè)等電位公共接地環(huán)網(wǎng)和各類需要設(shè)有保護(hù)接地的設(shè)備和線路，可以做到就近接地，以免因設(shè)計和施工問題而影響防雷效果[3]。

4.結(jié)語

本文針對我國中小型水庫的實際情況，結(jié)合傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)及人工智能技術(shù)構(gòu)建了現(xiàn)代化計算機(jī)智能監(jiān)控管理系統(tǒng)。詳述了系統(tǒng)總體架構(gòu)及相關(guān)子系統(tǒng)，如數(shù)據(jù)挖掘、設(shè)備狀態(tài)運(yùn)行狀態(tài)自動監(jiān)測、防雷擊措施等。實現(xiàn)了壩情的實時監(jiān)測與水情的動態(tài)管理，有助于提高了我國中小型水庫的自動化監(jiān)控水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚蓓蓓.汾河二庫水情自動化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[D].太原理工大學(xué).2018.06

[2]王夢旭，林思群.現(xiàn)代水利自動化系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].江蘇科技信息.2018.04

[3]胡國軍，錢鏵，付曉艷.遼陽湯河水庫水質(zhì)自動監(jiān)測站雷電防護(hù)系統(tǒng)[J].遼寧氣象.2004.11